挤密砂桩在南水北调地基处理中的运用

刘新民, 曾 涛, 曾铁钢

(中国水利水电第五工程局有限公司 第五分局,四川成都 610225)

1 概 述

挤密砂桩在 19世纪 30年代源于欧洲,当时发展很慢,直到 20世纪 50年代挤密砂桩在国内外才得以迅速发展,施工工艺才逐步走向完善和成熟。20世纪 50年代后期,日本成功地研制了振动式和冲击式挤密砂桩施工机械,从而大大提高了工作效率和施工质量,处理深度很快由原来的 6 m增加到 30多 m。挤密砂桩在我国的应用也始于 50年代。起初,挤密砂桩法用于处理松散砂土地基,其加固原理是依靠成桩过程中对周围砂土的挤密和振密作用提高松散土体地基的承载力,防止饱和砂土或粉土产生地震液化。后来,国内外也逐渐将挤密砂桩用来处理软弱粘性土、粉土和砂土,其加固原理是利用挤密砂桩的挤密、预震、置换和排水减压作用提高液化地基的稳定性和承载力。

自挤密砂桩引入我国后,在工业及民用建筑、交通、水利等工程建设中均得到广泛应用。近 20年来,国内在利用挤密砂桩处理松散砂土、防止砂土液化方面取得了许多成功的经验,解决了一些工程实际问题。挤密砂桩加固软弱土地基的机理主要是:提高桩体和桩间土的密实度,从而提高地基的承载力,减小变形、增强抗液化能力并改善地基力学性能等。

南水北调中线焦作段位于太行山山前冲洪积平原上,地形较平坦,沿渠线范围内地势总体呈西南高,东北低,由间歇性洪水堆积形成的洪积扇彼此相连或叠加而成带状坡洪积裙。场区附近分布着第四纪构造断裂:盘古寺断裂、五龙口断裂、济源-博爱断裂、温县-孟县黄河断裂和武陟断裂。渠道以半挖半填为主,渠底板主要位于重粉质壤土中,渠坡主要由重粉质壤土和轻粉质壤土夹卵石组成,其中Ⅳ29+900～Ⅳ31+900(府城 ～白马门河)段分布的轻粉质壤土为可液化土层,需进行地基处理。该段地下水主要赋存在第四系中细砂、砾卵石及少粘性土中,地下水位一般埋深 0.8 m,采用挤密砂桩地基处理法可避免地下水位对地基处理效果的影响。

2 挤密砂桩优化施工

地基液化是饱和砂土、粉土和轻粉质粘土在振动作用下土体孔隙水压力增加,有效应力减小,土体失去抗剪强度而呈悬浮状态,使地基丧失稳定性。挤密砂桩是通过沉管振动法加固砂土、粉土和轻粉质粘土地基,防止其液化。机理:挤密作用、预震效应、置换作用和排水减压作用。

2.1 施工准备。

(1)现场作业准备。

①在挤密砂桩成桩挤密试验施工前,依据所提供的施工技术要求、地质资料、有关规程规范,做好安全技术交底;排查场地范围内地下管线的布设情况,对地面及地下的不良填充物、障碍物应提前处理。

②场地平整施工:挤密砂桩施工前,先由测量队根据图纸放出挤密砂桩地基处理边界线,再用推土机、振动碾进行场地平整,场地平整标高为根据地形图拟定的标高,施工时根据“宁填勿挖”的原则进行整平;挖除地表坚硬物体,使振冲器能顺利下钻。

③布置场内运输道路、道路两边的排水盲沟、纵向排水沟、料场、沉淀池及清水池,准备好照明设施以便夜间施工。

(2)测量放线。

挤密砂桩桩点位置放线依据《设计图纸》中桩点的设计位置进行测量放线定位。放线仪器设备:全站仪、水准仪、塔尺、钢卷尺等。

由测量人员使用全站仪、水准仪等,根据图纸、坐标控制点,在挤密砂桩施工区域做好测量控制点,控制点用木桩打入土层,并在木桩上钉钉子定位。控制点应选在施工机械停放和施工时不会阻挡与碰撞的位置。绘制测量放线图,测量队根据图纸进行测量放样,每个桩位均以木桩作标志,编制桩号。

(3)挤密砂桩施工参数。

挤密砂桩施工采用振动沉管成桩法,成桩设备为 D Z 70K S振动沉管桩机,采用逐步拔管、重复利用振动和挤压使孔内填料密实法成桩。D Z 70 K S振动沉管桩机的主要参数:功率 2×37 k W,振动频率 18.3 H z,静偏心力矩 300 N◦m,激振力420 k N。挤密砂桩地基处理法的设计参数:桩径采用 0.5 m,正三角形布置,桩间距 1.5 m;桩体填料可用砾砂、粗砂、中砂或石屑等硬质材料,级配良好,最大粒径不宜大于 50 m m,含泥量不大于5%。挤密后的质量标准:①挤密砂桩长度超出液化土层深度不小于 0.5 m;②处理深度范围内土层处理后的标准贯入击数实测值不低于地震液化的临界标贯击数,或相对密度不低于 0.75,达到不液化要求。根据成桩挤密试验,严格控制沉管的提升高度和速度,控制灌入碎石的量、挤压次数和时间以及电机的工作电流。

(4)材料准备。

挤密砂桩灌入材料采用级配良好的中石进行材料试验,材料含泥量不大于 5%,最大粒径不超过50 m m。

2.2 挤密砂桩施工工艺流程图

饱和砂土地震液化地基挤密砂桩成桩施工工艺流程见图 1。

2.3 挤密砂桩优化施工

根据成桩挤密试验记录桩的贯入深度和时间、压入的砾砂量及电流变化确定的参数、密实电流、留振时间、填料量等指导施工。成桩后按设计和规范要求对成桩效果进行检验,复核地基承载力。

(1)清基验收合格后,复测标高,测量放线并经报监理验收合格后进行挤密砂桩成桩挤密试验施工。

(2)桩架就位保持平整、稳固,将套管尖插在测设好的标桩上并与地面保持垂直对准桩位(活瓣桩靴闭合),垂直度偏差不大于 1%。

(3)启动振动锤将桩管振入土中,利用振动器自重和激振力将套管沉入软土层中达到设计深度,使桩管周围的土挤密或挤压;沉管过程中,记录员应认真做好记录,每沉 1 m记录电流表上的电流一次,对土层变化处予以说明。当电流达到规定值时,向吊车司机报警响铃,上提振冲器。在施工过程中,若电器仪表指示异常,立即断开电路并向技术负责人报告。

(4)沉管至设计标高后,采用人工配合小型装载机将级配良好的砾砂料分批灌入套管中(分四次灌入)。每次加料量为管内 1.4 m堆高的填料。从桩管上端的投料漏斗加入料,填料量计算:

式中 Q为每根桩的填料量;L为桩长,m,取 5.7 m;D为桩径(m),取 0.5 m;K为充盈系数,一般为 1.2～1.4,现取 1.3。得 Q=1.42 m3。灌砂率计算:1根砂桩所分担的地基面积 A=3.46 m2,挤密砂桩每 m的灌入量 S A=Q/L=0.3 m3/m,单位长度平均灌砂率 V p=S A/A=0.087。

地基处理后要求达到的标准贯入值 N1、地基处理后达到的平均标贯值为 n,则有:

式中 N1′为地基处理后桩间土标贯值;NP为砂桩中心标贯值。

(5)碎石填灌完成后,开动振动器,在原地留振 10 s后,边振动边拔管,拔管速度 控 制 在 1～1.5 m/m i n。随着振动拔管套管尖活瓣打开,碎石进入桩孔并被初步振实。

(6)在放完套管内的碎石后,利用振动器自重和激振力将套管挤压入已填入桩孔的碎石内并将碎石挤入周围土体,挤振密实。

(7)重复以上步骤,直至桩孔内填满碎石,拔出套管,桩架移位,进行下一根桩的施工。

图 1 挤密砂桩成桩工艺流程图

(8)挤密砂桩成桩施工完成后,间隔足够时间后采用标准贯入试验、静力触探、动力触探或其他原位测试方法(检测位置位于等边三角形的中心)进行质量检验(检验点数量不少于桩孔总数的2%)。

2.4 挤密砂桩优化施工时的注意事项

(1)注意原材料的级配,一定要符合要求。

(2)严格按照成桩挤密试验结果控制电流和振冲器的留振时间。

(3)注意振实挤密效果,防止发生“断桩”或“缩颈桩”。

(4)严格控制桩的竖直度,保证起重设备平稳,导向架与地面垂直,垂直偏差不应大于 1%,成孔中心与设计桩位偏差不应大于 50 m m,将桩径偏差控制在 ±20 m m以内,桩长偏差不大于100 m m。

(5)成孔时地基土应接近最佳(或塑限)含水量。当场地内土质变化较大或土的含水量超过22%时,施工前进行成孔试验,以便查明成孔质量和挤密效果。

(6)施工时,要严格按照设计要求的桩长、桩径、桩间距、碎石灌入量以及成桩挤密试验确定的提升高度和速度、挤压次数和留振时间、电机的工作电流等参数进行施工,以确保挤压均匀和桩身的连续性。

(7)碎石灌入量不少于设计值的 95%,如不能顺利下料时,可适量往管内加水。

3 技术要求

挤密砂桩成桩挤密试验技术参数按照《建筑地基处理技术规范》J G J 79-2002中的要求确定。

(1)施工前进行成桩工艺和成桩挤密试验,当成桩质量不能满足设计要求时,调整施工或设计参数后再进行试验。

(2)挤密砂桩施工间隔(跳打)进行,并由外侧向中间施工;在已有建筑物邻近施工时,要背离建筑物方向进行。

(3)施工图各控制点的地面高程是依据实测地形资料并除去清基 30 c m后确定的,施工中可根据实际地形情况及施工条件进行适当平整,平整后的地面高程不得高于控制点高程。

(4)砂石桩施工后,将控制点高程以下的松散层夯压密实,随后按渠道填筑要求进行填筑。

(5)挤密砂桩处理段与强夯处理渠段衔接,先进行该段的强夯处理后,再进行挤密砂桩施工。与跨渠建筑物交叉时,则先进行挤密砂桩的施工后,再进行建筑物的施工。

(6)施工时,挤密砂桩桩位的水平偏差不大于 0.3倍(150 m m)套管外径;套管垂直度偏差不大于 1%。

4 地基处理效果的检验

施工后,间隔一定时间进行质量检验,对于饱和粘性土地基应待孔隙水压力消失后进行,间隔时间不少于 28 d;对于粉土、少粘性土和杂填土地基不少于 7 d。

(1)地基承载力的检验。

砂桩地基荷载试验结果如图 2所示,桩间土荷载试验结果如图 3所示。

由图 2可以看出,砂桩地基荷载与沉降关系曲线没有明显的转折点。荷载在 230 k P a以前曲线呈线性关系,为弹性变形,荷载 P0=230 k P a;采用相对沉降法取 S/b=0.02,在荷载与沉降关系曲线上对应的 P0.02=430 k P a,为天然地基承载力P=130 k P a的三倍以上。由图 3可以看出,桩间土荷载与沉降关系曲线也没有明显的转折点。采用相对沉降法取 S/b=0.02,在荷载与沉降关系曲线上对应的 P0.02=234 k P a,为天然地基承载力的 1.8倍。

(2)地基液化性的检验。

检验标准:在处理深度范围内,土层处理后的标准贯入击数实测值不低于地震液化的临界标贯击数或相对密度不低于 0.75,即地基液化土层达到处理要求,不会发生地震液化。

①检测仪器。

标准贯入试验设备由标准贯入器、触探杆及穿心锤组成,其规格见表 1。

图 2 砂桩地基 P—S曲线图

图 3 桩间土 P—S曲线图

表 1 标准贯入试验设备规格表

②检测过程。

a.标贯试验前,使用回转钻头钻孔至试验标高以上 15 c m处,避免对目标土层发生扰动作用,并测量深度尺寸。

b.采用自动脱钩的自由落锤法进行锤击,并减少导向杆与锤间的摩阻力,避免锤击偏心和侧向晃动,保持贯入器、探杆、导向杆连接后的垂直度。标准贯入器见图 4。

图 4 标准贯入器示意图

c.以 15～30击/m i n的速度将贯入器打入试验土层中,先打入 15 c m,不计击数,继续贯入土中 30 c m,记录锤击数 N。若地层比较密实,贯入击数较大时,也可记录贯入深度小于 30 c m的击数,此时,需按下式换算成贯入深度为 30 c m的锤击数 N。

式中 n为所选取的任意贯入数的锤击数;△s为对应锤击数 n的灌入量。

d.拔出贯入器,取出贯入器中的土样进行鉴别描述,对土的颜色、粗细程度、保水性等进行初步判断。

e.标贯深度应穿透液化土层,完成 1次标贯试验后钻探到下一个标高处,重复上述步骤,每 1 m进行 1次标贯试验。

③地基的液化可行性判别和液化等级划分。

地基土的液化是由于震动过程中土体有收缩的趋势,在不排水条件下,表现为孔隙水压力升高、累积,当孔隙水压力等于上覆压力时,土的抗剪强度丧失,土体发生流动的现象。沙土、粉土、轻粉质粘土易发生。

《建筑地基基础设计规范》G B J 11-89采用的判定方法分两步:第一是初步判别:a.地质年代为第四纪晚更新世(Q 3)或以前时,应判为非液化土;b.粉土中粘粒含量(粒径小于 0.005 m m)不少于表 2所列百分率时,应判为非液化土。

凡是经初判认为属于可能液化的土层时,应进行第二步详判:当饱和土标准贯入锤击数小于液化判别标准贯入锤击数临界值时,应判为液化土。在地面 15 m深度范围内,液化判别标准贯入锤击数临界值按下式计算:

式中 Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值;N0为液化判别标准贯入锤击数基准值,按表 2采用;ds为饱和土标准贯入点深度(m);dw为地下水位深度(m);ρc为粘粒含量百分率,当小于 3或为砂土时,采用 3。

液化等级的划分:当地基中某些土层属于可液化土时,需要进一步估计整个地基产生液化后果的严重性,即危害程度。液化指数用 ILE表示。

表 2 标准贯入锤击数基准值表

式中 Ni,Ncri分别表示液化土层中第 i个标准贯入点的实测标准贯入锤击数和临界标准贯入锤击数;n为 15 m深度范围内各个钻孔标准贯入试验点的总数;di为第 i个标准贯入点所代表的液化土层厚度,m;ω0i反映第 i个液化土层层位影响的权函数,按图 4取值,取层厚 d中点处的权函数值。

5 质量检验

(1)在施工期间及施工结束后,检查砂石桩的施工记录,检查套管往复挤压振动次数与时间、套管升降幅度和速度、每次填砂石料量等施工记录。

(2)施工后,间隔一定时间进行质量检验,对于饱和粘性土地基,应待孔隙水压力消失后进行,间隔时间不少于 28 d;对粉土、少粘性土和杂填土地基不少于 7 d。

(3)质量检验的方法:桩间土采用标准贯入和原位测试试验测定,检验位置在等边三角形的中心。

(4)质量检验标准:施工后挤密砂桩长度超出液化土层的深度不小于 0.5 m,处理深度范围内土层的标准贯入击数实测值不低于地震液化的临界标贯击数,或相对密度不低于 0.75,具体见表 3。检验数量不少于桩孔总数的 2%,检验深度不小于设计处理深度。

6 质量保证措施

为加强对挤密砂桩成桩挤密试验的管理,主要负责人应主管施工工艺,确保工程质量。所有计量器具必须经检定合格后方可使用。特殊工种作业人员必须持有合格证和上岗证。

7 安全技术措施

按照 G B/T 28001-2001标准的要求配备施工人员,合理组织施工。

(1)加强现场施工人员的安全知识教育。按期进行设备检查保养,禁止在运行中检修。

表 3 挤密砂桩质量检验表

(2)设立专职安全员,并经常在现场巡回检查,及时采取有效措施,排除一切不安全因素,将一切不安全隐患消灭在萌芽状态。

(3)凡进入工地的施工人员必须戴安全帽,统一指挥,协调作业,严禁在施工现场嬉笑打闹。

(4)施工现场的一切电源均设漏电保护装置,电路的安装和拆除由专人管理和操作,电器必须接地,发现有损坏的电线时应立即更换,杜绝漏电事故的发生。

(5)保持施工现场的清洁卫生,严禁随地乱丢、乱放,争创文明工地。

8 结 语

用挤密砂桩法处理液化地基,可以提高桩体和桩间土的密实度,增大相对密度,加快地基的排水固结,从而提高地基的承载力,减小变形,增强其抗液化能力并改善地基的力学性能,值得推广。

[1] 李永乐,李日运.岩土工程勘察[M].郑州:黄河水利出版社.2000.

[2] 孙文怀.基础工程设计与地基处理[M].北京:中国建筑工业出版社.1999.

[3] 吴湘兴.建筑地基基础[M].广州:华南理工大学出版社.2003.

[4] 建筑地基基础设计规范,G B 500007-2002[S].

[5] 建筑抗震设计规范,G B 50007-2001[S].